封育年限对伊犁绢蒿荒漠土壤活性有机碳及碳库管理指数的影响

杨合龙，孙宗玖，2，杨 静，马慧敏

(1．新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐830052;2．新疆草地资源与生态重点实验室，新疆 乌鲁木齐830052)

土壤有机质在土壤质量构成因素中占首要位置［1］，并且在土壤中以有机质形式存在的C 占全球陆地总碳库的2/3 ～3/4［2］，在全球碳循环过程中起着极其重要的作用［3］。但土壤有机质含量只是一个矿化分解和合成的平衡结果，其变化过程较为漫长，并不能敏感地反映土壤环境、质量的瞬时动态变化及土壤转化速率［4］。由此，20 世纪70 －80 年代，研究者对有机质分解转化的分组方面进行了更深入的研究，如Blair等［5］认为，可以被333 mmol·L－1的高锰酸钾(KMnO4)氧化的有机碳与土壤有效养分具有密切的关系，并提出了土壤碳库管理指数(CMI)，而Lefroy 和Lisle［6］进一步指出，能被333 mmol·L－1KMnO4氧化的有机质称为活性有机质(Labile Organic Matter，LOM)，不能被氧化的为非活性有机质(Non-labile Organic Matter，NLOM)。目前，国内外许多研究者发现，LOM 及CMI 与土壤性质的关系密切且对土壤碳变化敏感，可以作为表征土壤肥力及揭示土壤碳库变化的早期指标［7-11］。

作为新疆主要春秋放牧场的伊犁绢蒿(Seriphidium transiliense)荒漠草地［12］，目前退化十分普遍，甚至局部区域已极度退化或完全被破坏，严重威胁到当地畜牧业生产及绿洲生态安全［13-14］。关于伊犁绢蒿荒漠草地封育土壤的研究，仅限于短期围栏时间土壤理化性质的研究［15-16］，且有关封育对土壤有机质影响的研究仍存在较大分歧［17-18］，再加上土壤有机质含量应激变化的“滞后性”，急需寻找一些能代表土壤有机质变化的敏感组分来揭示其对封育响应的瞬时适应机制，而活性有机碳及碳库管理指数的提出为其提供了新的视角。因此，以新疆不同封育年限的伊犁绢蒿荒漠为对象，通过对其土壤活性有机碳、碳库管理指数及两者与群落生物量的灰色关联度进行分析，探讨不同封育年限下土壤活性有机碳及碳库管理指数的响应规律，同时分析其与土壤养分、群落生物量的相关性或关联度如何，是否能作为封育后土壤与植被变化的瞬时敏感考核指标，以期为退化荒漠草地的有效管理、持续利用及相应的生态环境效应评价提供科学依据。

1 材料与方法

1．1 研究区概况

试验地位于新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市米东区芦草沟乡的博格达山北坡(87°47' － 87°46' E，43°53'－43°49' N)，海拔840 ～1 110 m;试验区为典型温带大陆气候，年降水量236 mm，降水季节分配不均，集中在春、冬季，年均温6．4 ℃，冬季寒冷漫长。土壤为灰棕色荒漠土，且土层深厚;地带性植被为蒿类荒漠草地，生产上多做春秋割草地利用，草地载畜量相对较少。该草地主要优势种有伊犁绢蒿、木地肤(Kochia prostrata)、叉毛蓬(Petrosimonia sibirica)、角果藜(Ceratocarpus arenarius)等，春季有毛梗顶冰花(Gagea albertii)、庭荠(Alyssum desertorum)等短生、类短生植物发育;地表土壤有一定程度的裸露及践踏现象，草地整体上处于轻度退化状态。

1．2 研究方法

1．2．1 样地设置 研究样地选择分别于2013、2008及2005 年采用铁丝网进行围栏全年禁牧的3 个处理，即封育1、6、9 年，面积均为2 000 m2;围栏期间未受干扰，且封育区段基本相连，间距小于10 m，使得试验区内土壤、地形、气候及地表生态过程等基本一致，因此，不同封育时间草地土壤有机质的差异，主要由封育引起的植物生长条件及与之有关的土壤生态过程造成;同时设当地居民传统自由放牧的未封育区为对照(CK)，春秋季节轻度放牧，家畜多为绵羊。

1．2．2 植被调查及土壤取样 2013 年9 月底，每个围栏样地沿坡向平均分为3 个条带区，每个条带区分别在上、中、下坡各设置3 个1 m×1 m 典型样方，同时围栏外(对照)对应布点，进行草地植被群落特征的测定。每个样方剪掉地上生物量后，采用挖土块法，按土层深度0 －5、5 －10、10 －20、20 －30、30 －50 cm 分层取样，每个土壤取样点面积20 cm×20 cm，每条带区内土样分层混匀，以消除坡度的影响;室内剔除植物可见的新鲜根系、石砾等杂物，置于室内自然风干后磨细过2、1、0．25 mm 筛后保存，用以室内分析。4 个处理草地植物群落基本特征及土壤常规养分均值(0 －50 cm)情况见表1。

表1 研究样地描述Table 1 Description of the experiment sites

1．2．3 土壤养分及活性有机质测定 土壤有机质采用重铬酸钾外加热法［19］;全量氮、磷、钾依次采用半微量凯氏定氮法、HClO4-H2SO4熔融－钼锑抗比色法、酸溶火焰光度计法［19］;碱解氮、速效磷、速效钾分别采用碱解扩散法，碳酸氢钠浸提－钼锑抗比色法，醋酸铵－火焰光度法［19］;土壤易氧化活性有机碳(Readily Oxidizable Carbon，ROC)采用333 mmol·L－1的KMnO4氧化法［5］，土壤非活性有机碳含量就是土壤总有机碳含量减去土壤活性有机碳含量的差值。

1．2．4 数据统计与分析

(1)土壤有机碳密度及储量［20］:

有机碳密度(SOCi)=Ci×Di×Ei×(1－Gi)/100;

总有机碳贮量(SOCt)=

其中，SOCi、Ci、Di、Ei、Gi分别指第i 土层的土壤有机碳密度(kg·m－2)、有机碳含量(g·kg－1)、容重(g·cm－3)、土层厚度(cm)、直径≥2 mm 的石砾所占的体积百分比(%)，k 为土壤剖面中土层数量。

(2)土壤碳库管理指数的计算［5］:

本研究选择对照区(En0)为参考土壤，进行以下相关计算:

碳库指数(Carbon Pool Index，CPI)=样品总有机碳含量/参考土壤总有机碳含量;

碳库活度(Activity of Carbon，A)=土壤活性有机碳含量/土壤非活性有机碳含量;

碳库活度指数(Activity Index，AI)=样品碳库活度/参考土壤碳库活度;

土壤碳库管理指数(Carbon Pool Management Index，CPMI)=碳库指数(CPI)×碳库活度指数(AI)×100%。

(3)碳素有效率的计算［21-22］:

碳素有效率(ACC)=易氧化有机碳含量(ROC)/土壤有机碳含量(SOC)×100%。

(4)灰色关联度计算［23-25］:

以群落生物量记为参考列{X0(k)}(k = 1，2，3，…，n)，土壤有机碳及活性碳等各项指标作为评价指标记为比较列{Xi(k)}(k =1，2，3，…，m)，进行以下计算:

标准化变换:分别求出各序列的平均值和标准差，然后将各原始数据减去平均值后再除以标准差，即为标准化序列;量纲为1，其均值为0，方差为1。

关联系数

式中，|X0(k)－Xi(k)|为绝对差值，记为Δ(k);

等权关联度

权重系数

(5)采用SPSS 18．0 进行数据统计分析，以平均值与标准误表示数据结果，分别对不同封育时间的土壤碳密度、土壤易氧化活性有机碳及其各计算指标单因素方差分析及多重比较(Duncan 法)，并对土壤养分与活性有机碳进行相关性分析(Pearson 法)，用Excel 2003 进行数据整理与作图。

2 结果与分析

2．1 封育对土壤碳密度与碳储量的影响

土壤有机碳密度或储量通过结合有机碳、容重等能更好地综合反映碳库变化或分布情况。在0 －5 cm土层，土壤碳密度随封育时间呈现“降低－增加”的趋势(图1)，且与有机碳变化趋势一致(表1)，这主要受土壤有机碳含量的影响;封育对5 －30 cm 土层的碳密度影响较小，但在30 －50 cm 波动幅度较大。总有机碳储量(0 －50 cm)呈现En9(封育9 年)＞En6(封育6年)＞En0(对照)＞En1(封育1 年)，且En9相对于En0、En1、En6分别增加了2．99%、12．27%、1．75%;土壤碳密度在0 －5 cm 呈现En9显著大于En6(P ＜0．05)，且与En0、En1、En6相比分别增加了11．24%、29．34%、36．51%;总有机碳贮量与5 －50 cm 的各土层碳密度受封育时间的影响并不显著。

图1 不同封育年限土壤碳密度与碳储量的分析Fig．1 Analysis of carbon density and SOCt in different fencing time

2．2 封育对土壤易氧化活性有机碳的影响

在0 － 5 cm 土层，En9的易氧化活性有机碳(ROC)含量均显著高于En0、En1、En6(P ＜0．05)，且分别增加了35．81%、84．89%、77．15%，而在5 －50 cm各土层在各封育时间的ROC 含量均差异不显著(P ＞0．05)，但En9均高于其他处理(图2);0 －5、10 －30 cm 的ROC 均呈现“降低－增加”趋势，与土壤碳密度变化趋势一致。0 －50 cm 的土壤ROC 总量表现出En9显著大于En1(P ＜0．05)，分别比En0、En1、En6增加了45．07%、81．35%、46．70%，且与总有机碳贮量变化趋势一致。从变化幅度来看，土壤易氧化碳较碳密度对封育响应更为敏感。

图2 不同封育年限土壤易氧化碳的分析Fig．2 Analysis of ROC in different fencing time

表2 不同封育年限土壤碳库管理指数分析Table 2 Analysis of CMPI in different fencing time

2．3 封育对土壤碳库管理指数的影响

随封育年限的增加，土壤碳库活度、碳库活度指数基本呈先降后增趋势，并在En9达到最高，但除20 －30 cm 土层En9碳库活度及0 －5、20 －30 cm 土层En9碳库活度指数显著高于En1(P ＜0．05)外，其余土层不同封育处理间差异不显著(P ＞0．05)(表2)。对碳库指数而言，0 －5 cm 土层En9显著高于En1、En6，而30 －50 cm 土层En9显著低于En6(P ＜0．05)，其余土层各处理间差异不显著。碳库管理指数仅在0 －5 cm 土层表现出显著差异，且En9显著高于En0、En1、En6(P ＜0．05)，其余土层各处理间差异不显著，5 －30 cm 各土层以En9最高，30 －50 cm 土层以En6最高。除20 －30 cm 土层En9显著高于En1(P ＜0．05)外，其余土层碳素有效率各处理间差异不显著，且均以En9最高。整体上，碳库管理指数可以综合反映土壤碳库的变化情况，即封育提高了土壤碳汇能力。

2．4 土壤活性有机碳与土壤养分的相关性

土壤有机质与易氧化活性有机碳、碳库活度、碳素有效率均呈极显著相关(P ＜0．01)，且与易氧化碳相关系数为最大(0．94);土壤全钾与易氧化碳呈极显著相关，与碳库活度、碳素有效率呈显著相关(P ＜0．05);土壤全磷与易氧化碳、碳库活度、碳素有效率极显著相关;土壤全氮与易氧化碳、碳库活度、碳素有效率、碳密度极显著相关，而土壤碱解氮、速效磷、速效钾与活性有机碳各指标相关性不显著(P ＞0．05)(表3)。

2．5 草地群落生物量与活性有机碳的灰色关联度

通过灰色关联度分析表明(表4)，依据与群落生物量加权关联度的大小及排序可以看出，土壤活性有机碳各指标依次为x5 ＞x4 =x7 =x8 ＞x3 ＞x2 ＞x1＞x6。草地群落生物量一定程度上代表了草地生产力，而与生物量的加权关联度的均值为0．33，大于均值的为碳库活度指数(x5)、碳库活度(x4)、碳库管理指数(x7)、碳素有效率(x8)，有机质(x1)及碳库指数(x6)关联度小于均值，初步体现土壤有机质或碳库对地表植被生长情况的指示作用有滞后性，而活性碳及其计算指标对地表植被有明显的指示作用。

表3 土壤养分与活性有机碳的相关性(n=60)Table 3 Correlations of soil nutrients and ROC(n=60)

表4 群落生物量与活性有机碳的灰色关联度Table 4 Grey correlative degree of biomass of community and ROC

3 讨论与结论

目前，由于气候、植被及土壤等背景值的不同，封育对土壤有机碳、碳密度或碳储量的影响仍存在一定的争议。一些相关研究指出，围栏封育可以提高土壤碳含量;内蒙古典型草原封育后，草地碳氮贮量、碳密度等增加显著(P ＜0．05)［25-27］。同时，也有研究发现，土壤养分封育后变化不明显或减少;Reeder 和Schuman［28］研究表明，放牧草地的土壤碳显著大于封育;在青藏高原、北美草原以及坎特伯雷高原草地研究发现，封育对草地土壤影响较小［29-31］。本研究表明，0 －5 cm 土层土壤碳密度呈封育9 年＞对照＞封育1 年＞封育6 年，这与土壤有机碳随封育时间变化一致(表1)，但仅在封育9 年与6 年间差异显著。土壤有机碳密度或碳储量主要受地表植被类型或凋落物输入量以及土壤矿质化作用环境等因素的影响，本研究中封育9 年与对照在0 －5 cm 土层具有相对较高的土壤碳密度，这与其地表的优势种受封育环境及物种相对竞争力影响而转换为半灌木伊犁绢蒿及其较大的根输入量有关(表1);而封育6 年样区具有相对竞争优势的一年生牧草叉毛蓬相对较多(表1)，导致其根输入量相对较低且易分解，使其土壤碳密度成为最低值。

土壤活性有机碳是易氧化分解、易被微生物转化和生物直接利用的有机碳组分，可以作为反映土壤有机质及质量变化并揭示土壤碳库变化的早期敏感性指标，由其计算的碳库管理指数能够很好地反映土壤碳库的更新变化，已得到国内外相关研究的证实。Biederbeck 等［7］通过动力学研究指出，土壤有机质的短暂波动主要发生在易氧化、分解的部分，并选择易氧化碳等作为土壤有机碳的指示因子;邱莉萍等［32］指出，土壤活性有机质与有机质及多数土壤性质呈极显著正相关(P ＜0． 01);徐明岗等［4］、蔡太义等［10］、宇万太等［11］研究表明，LOM 和CMI 比总有机质更能客观反映土壤肥力和土壤质量的变化情况，应成为描述土壤质量和评价土壤管理及土壤碳库的动态变化的良好指标。本研究中，易氧化碳在0 －5 cm 呈封育9 年＞对照＞封育6 年＞封育1 年，且封育9 年与其他处理均差异显著(P ＜0．05)，封育9 年的易氧化碳总量与封育1 年差异显著;易氧化碳与其总量的变动幅度分别为35．81% ～84．87%、45．07% ～81．35%，而土壤碳密度及碳储量的变动幅度分别为11．24% ～36．51%、1．75% ～12．27%;碳库管理指数是碳库活度、碳库指数等指标的结合，在0 －5 cm 随封育时间与易氧化碳变化趋势一致，且封育9 年显著高于其他处理，同时对照也高于其他处理，变动幅度为35．83% ～93．96%;综合上述方差与变化幅度分析，可以看出土壤易氧化碳、碳库管理指数对封育的响应更为敏感。

相关性分析表明，与土壤有机质及全量养分呈极显著相关的为易氧化碳(P ＜0．01)，而呈显著或极显著相关的主要有碳库活度、碳素有效率，体现了上述指标可以代表土壤养分的动态变化;而碳库管理指数、碳库活度指数、碳库指数与有机质相关性不显著，这可能与参考样地的有机碳含量密切关系。同时，灰色关联度分析发现，群落生物量依次与碳库活度指数、碳库管理指数等加权关联度相对最高，而与有机质及其计算出的碳库指数关联度最小，体现了土壤有机质对地表植被的生长情况的指示有明显滞后性，而碳库活度指数、碳库管理指数等活性有机碳指标能较为敏感准确地指示草地初级生产力，这与杨滨娟等［9］、蔡太义等［10］的研究结果一致。

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